Científicos chinos han hecho un nuevo avance en la solución de los "problemas industriales" de la tecnología de impresión 3D!

Con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología de hoy, la tecnología de impresión 3D se ha extendido por todos los sectores como un fuerte viento del este. Desde piezas mecánicas complejas y precisas hasta modelos de productos realistas, desde prototipos arquitectónicos fantásticos hasta artículos para el hogar personalizados, la tecnología de impresión 3D, con su creatividad infinita y suficiente flexibilidad, ha llevado la imaginación a la realidad, haciendo que la vida de las personas sea más conveniente mientras también nos sorprende.

Principio de funcionamiento de la tecnología de impresión 3D

La tecnología de impresión 3D, también conocida como tecnología de fabricación aditiva, es un innovador método de producción que construye entidades tridimensionales apilando materiales capa por capa. Su principio es similar al de construir una casa de ladrillos, lo que puede resumirse simplemente como "fabricación en capas, apilamiento capa por capa".

El proceso de impresión 3D no es complicado. Primero, se crea o se obtiene un modelo digital a través de software de diseño asistido por computadora, y luego el modelo se corta en una serie de capas transversales muy delgadas (es decir, rebanadas), y el grosor de cada rebanada generalmente está entre decenas de micras y cientos de micras. Luego, basándose en esta información de las rebanadas, la impresora 3D construye el objeto final capa por capa mediante tecnología y materiales específicos.

Los procesos de impresión 3D incluyen modelado por deposición fundida (FDM), estereolitografía fotográfica (SLA, DLP, LCD), sinterizado selectivo láser (SLS), fusión selectiva láser (SLM), impresión estereoscópica por inyección de tinta (3DP) y fabricación por capas (LOM).

El modelado por deposición fundida (FDM) es un proceso en el que materiales termoplásticos filamentosos se calientan y se derriten a través de una boquilla, depositándose capa por capa en una plataforma y finalmente solidificándose en un objeto tridimensional. Esta tecnología suele utilizar materiales termoplásticos como materias primas, como el copolímero de acrilonitrilo-butiadieno-estireno (ABS), ácido poliláctico (PLA), etc. Tiene bajos requisitos de equipos y es fácil de operar, adecuado para individuos y pequeños estudios. Los "cuchillos de rábano" y las "espadas telescópicas" que han sido populares recientemente en el mercado de juguetes se fabrican de esta manera.

La impresión 3D estereolitográfica (SLA, DLP, LCD) utiliza luz de una banda y forma específicas para irradiar resina fotosensible, y la resina se cura capa por capa para generar objetos de la forma deseada. Esta tecnología tiene una alta precisión de moldeado y una superficie suave, y es adecuada para hacer modelos detallados y pequeñas piezas.

La sinterización láser selectiva (SLS) utiliza un haz de láser para escanear materiales en polvo y fundirlos, uniéndolos capa por capa hasta formar un objeto tridimensional. Esta tecnología utiliza polvo como material base (como nailon, polvo metálico, polvo cerámico, etc.), tiene una alta precisión de modelado y es adecuada para fabricar piezas funcionales con estructuras complejas.

El fundido láser selectivo (SLM) tiene una mayor energía láser, similar a la sinterización láser selectiva (SLS), y puede fundir completamente el polvo metálico para lograr la prototipación rápida de piezas metálicas. Esta tecnología suele utilizar polvo metálico (como aleaciones de titanio, acero inoxidable, etc.) como material base, puede imprimir piezas metálicas de alta resistencia y precisión, y se utiliza ampliamente en los campos de la aeronáutica, la medicina y otros.

La impresión estereográfica (3DP) utiliza materiales en polvo (metal o no metal) y adhesivos como materias primas, e imprime cada capa de los componentes mediante un mecanismo de unión. Las muestras moldeadas de esta tecnología de impresión tienen el mismo color que el producto real, y actualmente es una de las tecnologías de impresión 3D en color más avanzadas.

La fabricación por objetos laminados (LOM) utiliza materiales en láminas finas (como papel, película plástica, etc.) y adhesivo termofusible como materias primas, y acumula los objetos requeridos capa por capa a través de corte láser y unión térmica. Esta tecnología tiene una velocidad de modelado rápida y un costo de material bajo, y es adecuada para la fabricación de grandes estructuras y carcasa.

Aunque el producto de la tecnología de impresión 3D tiene un alto grado de restauración, está limitado por los materiales de impresión. Los productos impresos en 3D son muy frágiles y se rompen fácilmente por fuerzas externas. Cuando se utilizan estos productos en escenarios con altos requisitos de rendimiento mecánico, parecen ser algo "incapaces". Entonces, ¿cómo mejorar el "corazón de vidrio" de los productos impresos en 3D para que tengan una "piel" atractiva y una "flexibilidad" que no se rompe con facilidad?

El 3 de julio de 2024, científicos chinos publicaron un resultado de investigación sobre elastómeros impresas en 3D en la revista Nature. Las ligas de goma preparadas utilizando esta tecnología pueden estirarse hasta 9 veces su longitud original, y la resistencia a la tracción máxima puede alcanzar los 94,6 MPa, lo que equivale a que 1 milímetro cuadrado puede soportar casi 10 kilogramos de gravedad, mostrando una super alta resistencia y tenacidad.

«Reconciliación» entre la velocidad de moldeado y la tenacidad de los productos terminados

En el proceso de fotocurado de la impresión 3D (SLA, DLP, LCD), mejorar la eficiencia de producción requiere una mayor velocidad de moldeado, lo que conduce a un aumento en la densidad de reticulación del material y a una disminución de la tenacidad del material durante el proceso de curado. Bajo métodos convencionales, mientras aumenta la tenacidad del material, también aumentará la viscosidad, lo que provocará una disminución en la fluidez y una reducción en la velocidad de moldeado. La contradicción entre la velocidad de moldeado de la impresión 3D y la tenacidad del producto terminado ha sido un problema constante para toda la industria.

Los científicos chinos han "reconciliado" estas dos contradicciones. Los investigadores propusieron una estrategia de impresión en etapas y posprocesamiento al analizar el material base fotosensible resina utilizada en la impresión 3D de fotocurado y descomponiendo el proceso de impresión. Los investigadores diseñaron un precursor DLP (procesamiento digital de luz) de dimetacrilato, que contiene un enlace de urea dinámico obstaculizado y dos grupos carboxilo en la cadena principal. Durante la etapa de impresión y moldeado, estos componentes clave están en un estado "dormido" y desempeñan un papel de refuerzo en la etapa de posprocesamiento después del moldeado.

a. Objetos impresas en 3D y sus cambios dimensionales durante el posprocesamiento; b. Rendimiento anti-perforación de globos impresos en 3D; c. Modelado de la fuerza de perforación mecánica; d-e. Prueba de levantamiento de peso de una pinza neumática impresa en 3D. Fuente de la imagen: Referencia [1]

Durante la etapa de post-procesamiento a 90°C, los enlaces de urea obstaculizados en los productos impresas en 3D se disocian para generar grupos isocianato, que por un lado forman enlaces amida con los grupos carboxilo de la cadena lateral, y por otro reaccionan con el agua adsorbida por el ácido carboxílico para formar enlaces de urea. Los cambios en los enlaces químicos dentro de las moléculas conectan la estructura de red única del material en una estructura de red interpenetrada similar a "mano en mano", lo que aporta más enlaces de hidrógeno y refuerza la estructura interna del material. Precisamente debido a los cambios en la estructura interna del material, los productos impresos en 3D tienen un mayor espacio de amortiguación cuando se deforman bajo fuerzas externas, similar al efecto de absorción de energía en una colisión de vehículo, lo que mejora la resistencia al impacto y a la fractura del producto y le otorga una mayor tenacidad.

Los resultados experimentales muestran que la película preparada por impresión 3D utilizando un precursor DLP con un grosor de solo 0.8 mm presenta una resistencia extremadamente fuerte contra perforaciones, permitiéndole soportar una fuerza de 74.4 Newtons sin romperse. Incluso bajo condiciones de inflado a alta presión, el agarre neumático impreso en 3D puede agarrar una bola de cobre de 70 gramos con espinas afiladas en la superficie sin romperse, lo que demuestra la ultra alta tenacidad y la fortaleza estructural de los productos impresos en 3D.

Amplia aplicación de elastómeros impresos en 3D

En el campo del equipamiento deportivo, los elastómeros impresos en 3D proporcionan a los atletas equipo personalizado de alto rendimiento. Por ejemplo, plantillas y equipo protector personalizados utilizan las propiedades de absorción de impactos y soporte de los elastómeros para optimizar el rendimiento deportivo de los atletas y mejorar la experiencia de uso. Especialmente en deportes extremos y de alto impacto, los materiales de elastómeros impresos en 3D pueden reducir significativamente el impacto sobre los atletas durante el ejercicio y proteger sus articulaciones y músculos de lesiones.

En los campos de la automoción y la aeronáutica, los elastómeros impresos en 3D se utilizan para componentes clave como partes livianas de absorción de impactos y juntas. Estas piezas pueden reducir el peso y mantener un alto rendimiento mediante diseños estructurales complejos.

En el campo de los productos electrónicos, se pueden imprimir con materiales elastoméricos productos como altavoces inteligentes, pulseras inteligentes, fundas de teléfono móvil y otros. Estos productos no solo tienen una excelente suavidad y elasticidad, sino que también son muy resistentes al desgaste y duraderos, lo que puede satisfacer las necesidades multifacéticas de los consumidores en cuanto a la apariencia y el rendimiento del producto.

En el campo de la fabricación industrial, la tecnología de impresión 3D con materiales elastoméricos se utiliza para fabricar diversas piezas industriales, como moldes y correas de transmisión. Estas piezas deben soportar mayores esfuerzos mecánicos y vibraciones, y los materiales elastoméricos son una opción ideal debido a su excelente elasticidad y resistencia a la fatiga. Fabricar estas piezas mediante la tecnología de impresión 3D no solo puede mejorar la eficiencia de producción, sino también reducir los costos de fabricación.

La llegada de la tecnología de impresión 3D con materiales elastoméricos ha ampliado aún más los escenarios de uso de los productos de impresión 3D y ha traído más posibilidades coloridas a nuestras vidas.